การใช้พลังงานจะเพิ่มมากขึ้นทุก ๆ ปีตามความเจริญเติบโตของสังคมโลก โดยพลังงานหลักเป็นพลังงานฟอสซิลที่มาจาก 3 แหล่งคือ น้ำมัน ถ่านหิน และแก๊สธรรมชาติ การที่ใช้พลังงานฟอสซิลเพิ่มขึ้นนี้ ก่อให้เกิดปัญหาระดับโลกต่อประเทศต่าง ๆ  3 ประการคือ  ประการแรก ประเทศต่าง ๆ รวมทั้งประเทศไทยด้วยต่างอยู่ในสภาพขาดความมั่นคงทางด้านพลังงาน (Energy security) เพราะไม่มีแหล่งพลังงานฟอสซิลทั้ง 3 ชนิดเป็นของตนเอง พลังงานถูกควบคุมโดยต่างประเทศ คือมีเพียง 8 ประเทศเป็นเจ้าของปริมาณน้ำมันดิบ 81% ของโลก   จำนวนเพียง 6 ประเทศ เป็นเจ้าของ 70% ของแก๊สธรรมชาติสำรอง  และเพียง 8 ประเทศเท่านั้นมีปริมาณถ่านหินสำรองรวมกันถึง 89% ฃองโลก

          นอกจากนี้ ผลกระทบที่รุนแรงต่อสังคมอีก 2 อย่างที่ทราบกันทั่วไป  คือประการที่สอง เกิดปัญหากระทบต่อการเจริญเติบโตทางเศรษฐกิจ (Economic development) ที่สัมพันธ์โดยตรงกับความเป็นอยู่ที่ดีขึ้นของประชากรโลก เนื่องจากพลังงานฟอสซิลมีราคาสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว และปัญหาประการที่สาม คือ การเกิดผลกระทบต่อการรักษาสิ่งแวดล้อมจากภาวะโลกร้อน (Environmental conservation) ที่เกิดจากแก๊สเรือนกระจกหรือแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์อันเป็นผลพ่วงที่เกิดขึ้นจากการใช้พลังงานฟอสซิลอย่างมากมายในปัจจุบัน ปัญหาระดับโลกทั้ง 3 ประการนี้เป็นแรงผลักดันให้จำเป็นต้องลดปริมาณการใช้เชื้อเพลิงฟอสซิลลงอย่างชัดเจนภายใน 50 ปีข้างหน้านี้ โดยทุกประเทศจะต้องหันไปใช้พลังงานอื่น และเพิ่มประสิทธิภาพของการใช้พลังงานฟอสซิลให้สูงขึ้นเพื่อสร้างความมั่นคงทางด้านพลังงานของแต่ละประเทศ พร้อมกับรักษาการเจริญเติบโตทางเศรษฐกิจและการอนุรักษ์สิ่งแวดล้อม  มิฉนั้นจะเกิดผลกระทบอย่างใหญ่หลวงต่อชีวิตความป็นอยู่และสิ่งแวดล้อมจากการพิ่มอุณหภูมิของบรรยากาศในโลก โดยที่ประมาณการว่าการเพิ่มปริมาณความต้องการพลังงานในอนาคตจะทำให้ปริมาณน้ำมันที่มีอยู่ยังคงใช้ได้อีก 40-60 ปี แก๊สธรรมชาติมีใช้ได้อีก ถึง 100 ปีข้างหน้ และมีถ่านหินใช้ได้อีก 300 ปีในอนาคต  ส่วนอุณหภูมิโลกอาจเพิ่มถึง 4 องศาเซลล์เซียส

          การพัฒนาพลังงานทางเลือกและพลังงานทดแทนจึงเป็นสิ่งจำเป็นและมีเป้าหมายชัดเจนว่าเป็นการบูรณาการในการแก้ปัญหาทั้ง 3 อย่างของโลกไปด้วยกัน  แนวทางของคำตอบที่ทราบกันอยู่คือจะต้องเริ่มการหันไปหาพลังงานชนิดต่าง ๆ ที่มีอะตอมคาร์บอนเป็นองค์ประกอบน้อยลงและเป็นสิ่งที่มีอยู่ในประเทศต่าง ๆ หลาย ๆ ประเทศมากขึ้น เพื่อสร้างความมั่นคงทางพลังงาน  รักษาการเจริญทางเศรษฐกิจ และลดการปล่อยแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งเกิดจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิลซึ่งมีองค์ประกอบเป็นคาร์บอนและไฮโดรเจน เมื่อเผาไหม้กับออกซิเจนจะได้พลังงานและกิดแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์จากอะตอมคาร์บอนด้วย  ดังนั้น  หากใช้เชื้อเพลิงที่มีไฮโดรเจนมาก คือมีอะตอมคาร์บอนน้อย หรือไม่มีอะตอมคาร์บอนเลย(ดูตารางที่ 1) ก็จะเกิดแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์น้อยลงหรือไม่เกิดเลย   ดังนั้นพลังงานไฮโดรเจนจึงเป็นที่จับตามองว่าจะสามารถเป็นส่วนหนึ่งของคำตอบในด้านความยั่งยืนของพลังงานและลดปัญหาทั้ง 3 อย่างของโลกได้อย่างมีประสิทธิภาพ  ทั้งนี้ ในระยะถัดไปจากนี้ โลกจะเข้าสู่ยุคเศรษฐกิจคาร์บอนต่ำ (Low carbon economy) และปรับเปลี่ยนเป็นยุคเศรษฐกิจไฮโดรเจน (Hydrogen economy) ในที่สุด โดยประเมินว่าในอนาคต ไฮโดรเจนจะมีปริมาณพอเพียงและมีความยั่งยืนเป็นระยะเวลาอันยาวนานกว่าที่จะคาดคะเนถึงได้ในอนาคต  การเปลี่ยนถ่ายยุคพลังงานนี้ไม่เกิดได้โดยง่าย จะต้องมีการพัฒนาเทคโนโลยีต่าง ๆ หลายอย่างให้สามารถใช้งานได้สะดวกและเป็นที่ยอมรับของสังคม ซึ่งจะนำไปสู่การลงทุนและการเปลี่ยนแปลงได้สำเร็จ หากไม่สามารถเปลี่ยนถ่ายได้จะเกิดปัญหาอื่น ๆ ทางสังคมในประเทศต่าง ๆ อย่างมากมายในระยะ 50 ปีที่พอจะเห็นได้นี้

 การใช้พลังงานไฮโดรเจน
          การปรับเปลี่ยนไปสู่ยุคเศรษกิจไฮโดรเจนไม่สามารถเกิดได้โดยง่าย  โดยเฉพาะแก๊สไฮโดรเจนไม่มีอยู่ในธรรมชาติที่สามารถเก็บเกี่ยวออกมาใช้ได้ทันที จะต้องมีการผลิตจากสารธรรมชาติอื่น ๆ  เทคโนโลยีการผลิตไฮโดรเจนปริมาณมากมีหลายวิธี  วิธีที่สำคัญในปัจจุบันเป็นการผลิต จากแก๊สธรรมชาติซึ่งประกอบด้วยมีเทน โดยใช้กระบวนการรีฟอร์มมิ่งด้วยไอน้ำ ดังสมการที่ 1

          ในอนาคต การผลิตหลักจะต้องใช้เทคโนโลยีที่มีอยู่แล้วโดยได้แก๊สไฮโดรเจนบริสุทธิและไม่เกิดแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์จากการแยกน้ำด้วยไฟฟ้า ดังสมการที่ 2

          การผลิตไฮดดรเจนให้พอเพียงจากกระบวนการนี้ต้องใช้พลังงานไฟฟ้าปริมาณมาก ซึ่งอาจนำมาจาก พลังงานนิวเคลียร์ และพลังงานหมุนเวียนอื่น ๆ เช่น พลังงานลม น้ำ และ พลังงานชีวภาพต่างๆ   หรือพลังงานถ่นหินที่ควบคุมแก๊สคาร์บอนไดออกไซด้ได้ และแก๊สไฮโดรเจนจะมีบทบาทเป็นพาหะพลังงาน (Energy carrier)

การใช้พลังงานไฮโดรเจนที่สะดวกจะเป็นการนำไปผลิตไฟฟ้าสำหรับสิ่งต่าง ๆ ทั้งการใช้ประจำที่ในบ้านเรือน สำนักงาน โรงงาน หรือ การใช้เคลื่อนที่ในยานพาหนะต่าง ๆ ซึ่งอุปกรณ์ที่สำคัญคือเซลล์เชื้อเพลิง

เซลล์เชื้อเพลิง

          เซลล์เชื้อเพลิงเป็นอุปกรณ์เปลี่ยนพลังงานจากเชื้อเพลิงไฮโดรเจนไปเป็นพลังงานไฟฟ้าโดยตรงด้วยกระบวนการเคมีไฟฟ้าซึ่งลดการขั้นตอนการเผาไหม้เชื้อเพลิงเป็นพลังงานความร้อนจึงแล้วนำความร้อนไปเปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้าอีกขั้นตอนหนึ่ง  กรรมวิธีนี้ในการผลิตไฟฟ้จะมีประสิทธิภาพสูงกว่า

          เซลล์เชื้อเพลิงเป็นเซลล์ไฟฟ้าเช่นเดียวกับแบตเตอรี โดยแบตเตอรี่จะต้องมีการชาร์จไฟจึงจะจ่ายกระแสไฟฟ้าได้  แต่เซลล์เชื้อเพลิงจะป้อนแก๊สไฮโดรเจนเข้าไปเป็นเชื้อเพลิงและจ่ายกระแสไฟฟ้าได้โดยไม่ต้องมีการชาร์จไฟ ปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีที่เกิดขึ้นได้น้ำออกมาเป็นผลพ่วงเพียงอย่างเดียว  คือ

        ขณะนี้ เซลล์เชื้อเพลิงชนิดเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (Proton exchange membrane, PEM) มีการพัฒนาไปมาก โดยมีรถบัสเซลล์เชื้อเพลิงสาธิตวิ่งบริการผู้โดยสารใน แคนาดา สหรัฐอเมริกา ยุโรป ญี่ปุ่น และจีน สำหรับรถยนต์ มีการวิจัยและสร้างรถขึ้นและให้ผู้ใช้ทดสอบการวิ่งใช้งานจริงแล้ว เช่น บริษัทฮอนด้า โตโยต้า ฮุนได เดมเลอร์ไครส์เลอร์ ฟอร์ด จีเอ็ม บีเอ็มดับเบิลยู  รถยนต์บริษัทเมอร์ซิเดสเบนซ์ และอื่น ๆ

          ส่วนประกอบสำคัญของเซลล์เชื้อเพลิง แสดงดังรูปที่ 1-3 มีส่วนประกอบเมมเบรนและอิเล็กโทรด (MEA) เป็นแหล่งเกิดปฏิกิริยาอยู่ตรงกลาง มีชั้นแพร่แก๊ส แผ่นทางไหล(แผ่นขั้วคู่) และแผ่นประกบริม ประกบอยู่ทั้งสองข้าง ซึ่งเซลล์เดี่ยว 1 ชุดจะให้แรงดันไฟฟ้า 0.6 โวลท์ หากนำหลายชุดมาต่ออนุกรมกันเป็นเชื้อเพลิงแถวจะได้แรงดันไฟฟ้า และกำลังไฟฟ้าสูงขึ้น

          ในงานวิจัยนี้ ได้พัฒนาต้นแบบเซลล์เชื้อเพลิงแถวสำหรับ ผลิตไฟฟ้าขนาด 350 วัตต์ 500 วัตต์ และ 1 กิโลวัตต์ มีการพัฒนาเซลล์ชื้อเพลิงเดี่ยว เซลล์เชื้อเพลิงแถว พัฒนาช่องทางไหล และ MEA ตลอดจนระบบควบคุมการทำงาน และชุดเดินเครื่องทดสอบ เพื่อให้เป็นเทคโนโลยีในประเทศซึ่งอาจนำไปใช้ในชนบทที่ห่างไกลจากไฟฟ้า  เป็นไฟฟ้าแสงสว่างใช้กับโทรทัศน์และคอมพิวเตอร์เพื่อการศึกษาได้ และนำไปสู่การพัฒนาเป็นแหล่งพลังงานสำหรับรถยนต์ต่อไป

งานวิจัยนี้ ได้รับทุนสนับสนุนจากสภาวิจัยแห่งชาติ  สถาบันวิจัยและพัฒนาแห่งมหาวิทยาลัยเกษตร ศาสตร์  ศูนย์ความเป็นเลิศแห่งชาติด้านปิโตรเลียม ปิโตรเคมี และวัสดุขั้นสูง  และ ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ     

(ก)	(ข)
รูปที่ 2  (ก) ชิ้นส่วนประกอบเซลล์เชื้อเพลิงขนาดพื้นที่กัมมันต์ 150 ตร.ซม.  ที่สร้างขึ้น แผ่นประกบริมผลิตจากแผ่นอะลูมิเนียม  แผ่นทางไหลผลิตจากแกรไฟท์ และแผ่นรวมกระแสผลิตจากทองแดง  และ (ข) เป็น ชุดเดินทดสอบ (test station) สมรรถนะของเซลล์เชื้อเพลิงที่พัฒนาขึ้น

รูปที่ 3  เซลล์เชื้อเพลิงแถว 28 เซลล์ ขนาดพื้นที่หน้าตัดกัมมันต์ 150 ตร.ซม. กำลังไฟฟ้า 547 วัตต์ ที่ศักย์ไฟฟ้า 16.8 โวลท์ (0.6 โวลท์/เซลล์)